理解并降低dc/dc开关式转换器的接地噪声 转换器, 开关

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关键字：DC/DC   开关式转换器   接地噪声   IDT  
dc/dc开关式电源转换器的物理干扰众人皆知，除非系统和电路图都经过了精心设计。这些转换器会对电气地注入多余的电荷，产生虚假的数字信号、翻转的双倍时钟、电磁干扰、模拟电压误差，还可能是有害的高电压。随着这类设计复杂性的增加以及应用的密集使用，物理电路的实现已开始在系统的电气完整性中扮演一个重要的角色。为解决这些问题，你需要了解如何减少两类主要的地噪声源。
地噪声问题一

图1是一个有恒定负载电流的理想降压转换器。开关S1和S2作来回转换，斩断着降压电感和降压电容上的输入电压。电感电流或电容电压都不能突然地改变，而负载电流是恒定的。所有开关电压与电流应分别成功地跨过降压电感，或通过降压电容，因为一个理想的降压转换器不会产生地噪声。但有经验的设计者知道，降压转换器是一个臭名昭著的噪声源。这意味着，图1中的电路缺少了一些关键的物理元件。




图1，在一个降压转换器电路中，电感器的电流不能瞬时改变，因此难以判断一个理想降压转换器中的地弹跳来源。




无论何时，只要有电荷移动，就会产生一个磁场。一根导线、一只电阻、一只晶体管、一个超导体，或一个电容极板间的电流都会产生磁场。磁通量是通过一个电流环路面积的磁感应强度，它等于以直角切割环路面积的磁感应强度与环路面积的乘积：φB=B×A，其中φB是磁通量，B是磁感应强度，而A是电流环路面积。以某个距离环绕一根导线的磁感应强度与导线中的电流成正比，B=μoI/2πr，其中r为距离。

电子元件都有长度，电荷必须沿各个导线段，从一个器件移到另一个器件。移动的电荷就产生了一个磁场，于是我们可以改进图1中的电路。图2是一个简单降压转换器的更好模型。图2中，导线仍保持理想状态，不过电流在从一个电子元件移动到另一个元件时，必须在每段中流过一个距离。当这个电荷流动时，通过S1和S2开关的循环，磁场环绕着通电的导线，并有磁通通过。




图2，变化的磁通会产生电压(a)。当一个降压转换时，变化的电流回路路径产生一个变化的磁通，并导致地弹跳(b)。



S1和S2电流回路面积的变化是开关转换器地噪声的第一个主要来源。在每个开关周期中， 输入电压-S1-地这个回路中的磁通都会增加和衰减。这种变化的磁通会在该回路的各个地方感应出电压，包括理想的接地回路线。没有任何铜箔(哪怕是一个超导体)能够消除这种感应电压。唯一有用的方法是降低变化的磁通。

变化的磁通有三大要素：变化率、磁场强度和回路面积。由于时钟频率和最大输出电流可能有设计上的要求，因此尽量减小回路面积就成为最佳方法。感应系数与磁通量成正比。

图3是图2的一个电气模型，其中寄生电感LP1中的电流变化产生了地噪声，而寄生电感LP2中的恒定电流则没有贡献。虽然图3以一种类似的方式表述了问题，但它是图2中物理增强模型的一个不良替代品。图3显示了LP1和 LP2上的寄生感应电压，而这种结构会在一个有磁通变化的回路各处都感应出电压。不过，这个电路部件仍能用于展示如何降低感应的地噪声。




图3，LP1中变化的电流产生了地弹跳，而LP2中的恒定电流则没有。